(57)【要約】【課題】上部電極として十分な膜厚の金属層を発光端面（劈開端面）近傍まで形成し、高い放熱性を維持できると共に、製品歩留まりを高く維持することができる半導体素子を提供する。【解決手段】複数の半導体層が積層された半導体基板４と、該半導体基板の積層方向の一面上に形成された電極とを有する半導体素子において、前記電極１０は、前記一面全面を覆って形成され、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくともいずれか一方を含んでなる。【選択図】図１
2007258640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体層が積層された半導体基板と、該半導体基板の積層方向の一面上に形成された電極とを有する半導体素子において、
前記電極は、前記一面全面を覆って形成され、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくともいずれか一方を含んでなることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
複数の半導体層が積層された半導体基板の表面上に金属層を形成する金属層形成工程と、
前記金属層が形成された前記半導体基板を、前記金属層を構成する金属材料の有する延性脆性遷移温度以下の温度に冷却した状態でその厚さ方向に劈開する劈開工程と、
を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記金属形成工程において、前記金属層を、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくともいずれか一方を含んで形成することを特徴とする請求項２記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及びその製造方法に係り、特に高い放熱性を維持しつつ、良好な共振器端面を得ると共に歩留まりを向上させることができる半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の一形態である半導体レーザ素子は、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ  Ｄｉｓｋ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ）等の光ディスクを記録／再生する光ディスク装置等に広く用いられ、更なる高出力化が望まれている。
この高出力化に対応する半導体レーザ素子の一つに、共振器型の半導体レーザ素子がある。この共振器型の半導体レーザ素子は、互いに略平行な光出射面と反射面とからなる共振器を有している。そして、この共振器型の半導体レーザ素子に電流を印加すると、活性層でレーザ発振し、この発振したレーザ光は光出射面と反射面との間で共振し、電流が発振しきい値以上になったとき、その光出射面からレーザ光が出射される。
【０００３】
このレーザ発振に伴う熱の放熱特性は発光部の周辺の構造によって決定される。近年では放熱性を高めるため、発光する活性層の近傍に熱伝導率の高い金属を接触させる構造の提案などがある（特許文献１参照）。
また一方でこのような半導体レーザ素子を作製する手法としては、このレーザ素子を形成する半導体基板を劈開することにより良好な反射面（端面）を得ると共に、レーザ素子毎に容易に分離する手法が一般的に採用されている。この劈開の際に、半導体基板上の劈開線上に金属電極が存在すると、その金属の延性のためにバリが発生し、発光特性の妨げとなることから、金属電極を素子に合わせてパターニングする技術も広く用いられている。
【０００４】
例えば図６は従来の半導体レーザ素子を示す概略斜視図である。この半導体レーザ素子２は、ＧａＡｓ基板等の半導体基板４上に、活性層６を含む各種の層を形成し、更に上面を凸状にしてリッジ部８を形成し、最終的に、この上面及び下面に上部電極１０と下部電極１２とを設けている。この半導体レーザ素子２の両端の内、一方が反射面となり、他方が光出射面となり、上記上部及び下部電極１０、１２間に電圧を印加してレーザ発振させると、上記活性層６の端面よりレーザ光が射出される。ここで上述のように、上部電極８は、劈開時に上部電極８を形成する金属の延性で発生したバリが発光特性の妨げや製品歩留まり低下を引き起こさないように、レーザ素子２の平面サイズよりも僅かに小さくパターン化して形成されており、端面との間で僅かな隙間１４を形成するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−９４１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、パターニングにより上部電極１０を互いに分離した形状とした場合、半導体レーザ素子の端面近傍の上面の隙間１４の部分には上部電極である金属層が存在しない状態となる。ところで、この種の半導体レーザ素子にあっては、端面近傍における活性層６の発熱量は非常に大きく、上述のように上部電極１２よりなる金属層が隙間１４の部分に存在しないことは、放熱性において非常に不利となる。
【０００７】
これに対して、端面の位置まで上部電極１２の金属層を形成して隙間１４をなくした場合、放熱性は良好になるが、必然的に劈開時に半導体ウエハ上の上部電極１２となる金属層を張力によって分断することになる。現在、この上部電極１２を形成する金属層はオーミック接触、安定性、熱伝導率、電気伝導率などの点からＡｕ（金）を中心とした多層構造をとっていることが多いが、それらの金属層は遷移金属であることから延性に富み、この結果、張力によって分断する時にバリが生じ、このバリが発光面を遮断して発光特性を妨げる場合がある。特に特許文献１に示されているようなエアリッジ構造と呼ばれる半導体レーザ素子の場合は、上部電極と発光面とは距離が非常に短いため、バリの発生は製品歩留まりを大きく低下させる原因となる。
【０００８】
このようなバリの発生を回避するために上部電極１０の厚さを薄くする方法がとられることもあるが、この場合には放熱性の不足、応力の増加による信頼性の低下等が予想され、望ましくない。またレーザ素子をヒートシンクに搭載する際のハンダ材による制約を強く受け、設計の自由度も小さくなる、という問題がある。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、上部電極として十分な膜厚の金属層を発光端面（劈開端面）近傍まで形成し、高い放熱性を維持できると共に、製品歩留まりを高く維持することができる半導体素子とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための手段として、請求項１に係る発明は、半導体基板上に、上下方向から金属層よりなる電極により挟み込んだ状態で活性層を形成し、前記両電極に電圧を印加することによって前記活性層の端面の発光面よりレーザ光を射出するようにした半導体素子において、前記金属層の両端は前記半導体基板の劈開端面に届く位置まで形成されていると共に、前記金属層はモリブデン（Ｍｏ）とタングステン（Ｗ）の内の少なくともいずれか一方を含んでいることを特徴とする半導体素子である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、第１の導電型の半導体基板上に、活性層を挟んで第２の導電型の半導体層を形成することによりレーザ素子ブロック体を形成する工程と、前記レーザ素子ブロック体の前記第２の導電型の半導体層上に、モリブデンとタングステンの内の少なくともいずれか一方を含む電極となる金属層を形成する工程と、前記金属層の形成されたレーザ素子ブロック体を、常温よりも低い温度に冷却した状態で、前記レーザ素子ブロック体を前記半導体基板の劈開方向へ劈開する工程と、を有することを特徴とする半導体素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る半導体素子及び製造方法によれば、上部電極として十分な膜厚の金属層を発光端面（劈開端面）近傍まで形成し、高い放熱性を維持できると共に、製品歩留まりを高く維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明に係る半導体素子及びその製造方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る半導体素子を示す概略斜視図、図２は図１に示す半導体素子を示す拡大断面図、図３は本発明の半導体素子を製造する際に劈開により分離する時の状況を説明する説明図である。ここでは半導体素子として半導体レーザ素子を例にとって説明する。
尚、図６に示す従来の半導体レーザ素子と同一構成部分については同一参照符号を付して説明する。またここでは、半導体の第１の導電型をｎ型とし、第２の導電型をｐ型として説明するが、両者の関係は逆の型でもよい。
【００１３】
図１及び図２に示すように、半導体素子の一形態である、この半導体レーザ素子２０は、例えばＧａＡｓ等の化合物半導体よりなる半導体基板４上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属材料を用いた化学気相蒸着成膜法）を用いて第１の導電型であるｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層２２、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層２４、活性層６、第２の導電型であるｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層２６、エッチングストッパ層２８、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層３０、ｎ−ＧａＩｎＰよりなる障壁緩和層３２及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層３４を順次成長し、エッチングによって図２に示すように、中央部に凸状のリッジ部８が形成された電流狭窄構造が作製されている。ここで活性層６より下方が第１の導電型（ｎ）の半導体層となり、上方が第２の導電型（ｐ）の半導体層となる。
【００１４】
そして、この上面側に金属層よりなる上部電極１０が形成され、半導体基板４の下面側に下部電極１２が形成されている。この場合、上部電極１０は、上記リッジ部８の上面と左右の両側面を全て覆う構造となっている。ここで上記上部電極１０の金属層はＭｏ（モリブデン）及びＷ（タングステン）の内の少なくともいずれか一方を含んでいる。
【００１５】
具体的には、この金属層よりなる上部電極１０は、複数の金属膜を積層して構成され、ここでは、下層から上層に向けて例えばＴｉ膜１０ＡとＭｏ膜１０ＢとＡｕ膜１０Ｃの３層構造となっているが、この層数には限定されない。上記各膜は、スパッタ、或いは蒸着によって形成され、その厚さは例えばＴｉ膜１０Ａが５００Å、Ｍｏ膜１０Ｂが２μｍ、Ａｕ膜が５００Åである。上記Ｔｉ膜１０Ａは障壁緩和層３２とオーミック接触を取り接着強度を確保する為の下地層であり、Ａｕ膜１０Ｃは酸化を防ぐための酸化防止層およびヒートシンクにキュアする際の合金化層として機能する。Ｔｉ膜１０Ａ、Ａｕ膜１０Ｃは共に１０００Å以下であることが望ましい。特にＡｕ膜１０Ｃを１０００Å以下とすることにより、劈開した際に、このＡｕ膜１０Ｃのバリを抑制することができる。Ｍｏ膜１０Ｂは放熱性確保とリッジ部８にかかる応力緩和のため、５０００Å以上であることが望ましい。尚、この場合、上記Ｍｏ膜１０Ｂに代えて、或いは加えてＷ膜を設けてもよい。このＭｏ及びＷは、後述するように他の金属に比べて延性脆性遷移温度が比較的高い金属である。
【００１６】
そして、この半導体レーザ素子２０は、図３に示すように、大きい半導体基板（ウエハ）をその劈開線３６に沿って劈開することによって個々に分離して形成されている。ここで、この半導体基板は後述するように水平面内に大きく広がっている。この場合、半導体レーザ素子２０の両端面は、劈開端面３８Ａ、３８Ｂとして構成され、一方の劈開端面３８Ａが反射面となり、他方の劈開端面３８Ｂが光射出面、すなわち発光端面となる。そして、上記リッジ部８の直下の活性層６の端面、すなわち活性層６の端面の中心領域が発光面３８Ｃとなる。この場合、上記活性層６の両劈開端面３８Ａ、３８Ｂ間で共振器が形成され、上記上部及び下部電極１０、１２間に電圧を印加することでレーザ発振が行われる。
【００１７】
そして、半導体レーザ素子２０の長さ方向（図１中の左右方向）における上記上部電極１０の両端部は、それぞれ両劈開端面３８Ａ、３８Ｂに届くまで、すなわちレーザ素子の長さ方向全体に亘って形成されており、後述するように放熱特性を高く維持できるようになっている。換言すれば、上記上部電極１０は、前述したように上記リッジ部８の上面及び両側面を全部覆う構造となっている。
【００１８】
次に、上記半導体レーザ素子２０の製造方法について図４も参照して説明する。
まず、図４（Ａ）に示すように、ＧａＡｓ半導体ウエハ等よりなる大きな半導体基板４上に、前述したようにＭＯＣＶＤ法を用いて、図２に示す上部電極１０と下部電極１２を除く全ての薄膜層、すなわちｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層２２からその上方のｐ−ＧａＡｓコンタクト層３４までの全ての層２２、２４、６、２６、２８、３０、３２、３４（図４では各層の記載を省略）を順次積層して形成し、そして、その内の上方の３層３０、３２、３４をパターンエッチングすることにより、平行になされた複数本のリッジ部８を形成する。これにより、全体としてレーザ素子ブロック体５０が形成されることになる。
【００１９】
次に、図４（Ｂ）に示すように、上記レーザ素子ブロック体５０の下面全体に下部電極１２を形成し、また上面に、例えばＴｉ膜１０Ａ、Ｍｏ膜１０Ｂ、Ａｕ膜１０Ｃ（図２参照）よりなる金属層として上部電極１０を積層する（金属層形成工程）。この場合、上部電極１０を上面全体に亘って形成してもよいし、図４（Ｂ）に示すようにリッジ部８の長さ方向に沿っては連続したパターンとし、この長さ方向に直交する方向へは素子毎に分離するようにある程度パターン化させて形成してもよい。いずれにしても、上記リッジ部８の上面及び両側面はその長手方向に沿って完全に覆うように上部電極１０を形成する。尚、上記下部電極１２は、図４（Ａ）で説明した成膜処理を行う前に形成してもよい。
【００２０】
そして、上記上部と下部の両電極１０、１２が形成されたレーザ素子ブロック体５０を、上記大きな半導体基板４の劈開線３６に沿って劈開を行い、図４（Ｃ）に示すようなブロックバー５２を形成する（劈開工程）。ここで図４（Ｂ）に示す劈開を行う際には、本発明の特徴的処理として、常温よりも低い温度に上記レーザ素子ブロック体５０を冷却した状態で上記劈開を行う。好ましくは上記上部電極１０の金属層に含まれたモリブデンまたはタングステンの延性脆性遷移温度付近の温度に冷却し、より好ましくは延性脆性遷移温度以下の温度に冷却した状態で劈開を行う。ここでは、上記上部電極１０には、Ｍｏ膜１０Ｂが含まれているので、Ｍｏの延性脆性遷移温度付近、或いはそれ以下の温度で行う。尚、Ｗ膜とＭｏ膜の両方が含まれている場合には、両者の内の温度の低い方の延性脆性遷移温度付近、或いはそれ以下の温度で行う。
【００２１】
上記Ｍｏ膜１０Ｂを形成する純Ｍｏは低温になると脆く変質することが知られている最も有名な金属の一つである。この性質を低温脆性、その変質する温度を延性脆性遷移温度( 以下「ＤＢＴＴ」とも称す）と言い、純ＭｏのＤＢＴＴは約−５６℃である。従って−５６℃付近の低温で劈開を行うことにより、Ｍｏ層１０Ｂは低温脆性を示し延性を失い、その厚さによらずバリを発生せずに分断可能となる。また純ＷのＤＢＴＴは約−９０℃である。
【００２２】
低温環境を作る一例としてドライアイスを用いた簡易的な例を示す。ドライアイスは昇華点が−７８．５℃であるため、ＭｏのＤＢＴＴである−５６℃以下まで容易に温度を下げることが可能である。劈開対象である図４（Ｂ）に示す両電極付きのレーザ素子ブロック体５０をシートおよび所定の冶具に固定し、劈開したい分離線（劈開線３６）の一部にスクライブを行う。シートは粘着材で固定するものよりも、表面の密着性のみで固定するものの方が好ましい。その後、密閉した空間にドライアイスと供に十分な時間放置し、その後速やかに圧力を加え、劈開を行う。
【００２３】
次に、上記劈開により形成された図４（Ｃ）に示すブロックバー５２を得たならば、このブロックバー５２の前後の両劈開端面に反応性スパッタ法等を用いて端面保護膜を形成し、その後、上記劈開方向とは直交する方向に切断することにより、各素子毎に分離して図１に示すような半導体レーザ素子２０を完成することになる。ここでこのレーザ素子２０の一方の劈開端面には、例えばＡｌ２ Ｏ３ 膜を形成して発光端面となっており、他方の劈開端面にはＡｌ２ Ｏ３ 膜とアモルファスＳｉとを形成して反射膜としている。
【００２４】
以上のように、従来の半導体レーザ素子では、遷移金属( Ａｕ，Ｐｔ等）で形成された上部電極はその延性のため、もし図１に示す本発明の半導体レーザ素子２０のように劈開端面まで電極を形成した場合には（図６中の隙間１４がない状態）、劈開時にバリが発生し、このバリが高い確率で活性層６のリッジ中央部の発光面（発光点）を覆ってしまうので、半導体レーザ素子の発光特性を妨げ、歩留まりを下げていた。また、発光面を妨げない場合でもｎ電極側とｐ電極側をショートする原因となり、この点も歩留まりを下げる原因となっていた。
【００２５】
これに対して、本発明のように、低温になると容易に脆く変質するＭｏやＷ膜を上部電極１０の金属層の材料として用い、この金属層が延性を示さない低温にて劈開を行うようにしたので、金属層はバリを発生せず、劈開端面まで上部電極１０が形成された、良好な発光端面を得ることができる。このように、劈開端面まで金属層が形成されていることより、共振器方向でもっとも発熱量の大きい発光端面の部分の放熱性を十分に確保でき、この結果、高い耐熱性および信頼性を得ることが出来る。
【００２６】
特に上部電極１０中の厚い層にＭｏやＷを含む低温脆性を有する金属を含有する層を用いた場合、延性を示さない低温環境はより容易に作ることが出来る。上述のように例えば１００％のＭｏの場合、低温脆性を示す温度（延性脆性遷移温度＝ＤＢＴＴ）は−５６℃程度であり、ドライアイス（昇華点−７８．５℃）などを用いて容易にＤＢＴＴまで冷却することが可能である。
【００２７】
＜熱シミュレーションによる評価＞
次に、半導体レーザ素子において劈開端面まで上部電極がある場合と無い場合とについて熱シミュレーションによる評価を行ったので、その評価結果について説明する。
図５は半導体レーザ素子の熱シミュレーションを行ったときの温度分布を示すグラフである。図５中において、曲線Ａは図６に示す従来の半導体レーザ素子の活性層発生中心線ａに沿った特性を示し、曲線Ｂは図１に示す本発明の半導体レーザ素子の活性層発生中心線ｂに沿った特性を示す。横軸は両劈開端面間で形成される共振器方向の位置をとっており、前方端面（図１中の左端面）を基準（Ｘ＝０）としている。
【００２８】
双方共にジャンクションダウンでＡｕＳｎ蝋材のヒートシンクにキュアした状態を想定し、共振器長４００μｍ、環境温度を８５℃とした。上部電極はＡｕ（５００Å）／Ｍｏ（２μｍ）／Ｔｉ（５００Å）の３層構造とし、図６における劈開端面近傍の金属層が無い部分である隙間１４の長さは２５μｍ、シミュレーションに用いた熱伝導率の値はＡｕ：３１０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、Ｍｏ：１４０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、Ｔｉ：２２（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。
【００２９】
図５より半導体レーザ素子においては端面における発熱が最も大きく、端面近傍の上部に金属層が存在することにより、放熱性を大きく向上させていることが判る。例えば従来構造の図６における前方端面の温度は１１５．６℃であるのに対し、本発明の図１に示す構造における前方端面の温度は１０５．７℃であり、略１０℃程度の放熱性の改善を行うことができることを確認することができた。
尚、上記実施例において、活性層６の上層及び下層の半導体層の構成は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されないのは勿論である。
【００３０】
上記実施例では、上部電極１０を、Ｔｉ膜１０Ａ、Ｍｏ膜１０Ｂ、Ａｕ膜１０Ｃよりなる積層構造としたが、これに限定するものではない。
例えば、上部電極１０を、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｕの３元素からなる合金膜としてもよい。この場合、各元素の組成比によって、この上部電極１０の有するＤＢＴＴを任意の値とすることができる。例えば、Ｍｏの組成比を大きくすることによって、この上部電極１０の有するＤＢＴＴは−５６℃に近づき、Ａｕの組成比を大きくすることによって、この上部電極１０の有するＤＢＴＴは−２７３℃に近づく。
また、上部電極１０を、その構成元素の組成比がその厚さ方向に徐々に変化するように形成してもよい。例えばＭｏターゲットとＡｕターゲットとの２つのターゲットを用いた蒸着法により上部電極１０を形成するようにし、Ａｕの蒸着量に対するＭｏの蒸着量の比率を、成膜開始時は大きく、成膜するに従って徐々に少なくして、成膜終了時にはＡｕの蒸着量がＭｏの蒸着量よりも多くなるように成膜することによって、成膜された上部電極１０の厚さ方向のＡｕに対するＭｏの組成比を、半導体基板側では大きく、上部電極１０の表面側では小さくなるように形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る半導体素子を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示す半導体素子を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の半導体素子を製造する際に劈開により分離する時の状況を説明する説明図である。
【図４】半導体レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。
【図５】半導体レーザ素子の熱シミュレーションを行ったときの温度分布を示すグラフである。
【図６】従来の半導体レーザ素子を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
４…半導体基板、６…活性層、８…リッジ部、１０…上部電極、１０Ａ…Ｔｉ膜、１０Ｂ…Ｍｏ膜、１０Ｃ…Ａｕ膜、１２…下部電極、２０…半導体レーザ素子（半導体素子）、３６…劈開線、３８Ａ，３８Ｂ…劈開端面、３８Ｃ…発光面、５０…レーザ素子ブロック体。
【図１】
2007258640.tif 000003
【図２】
2007258640.tif 000004
【図３】
2007258640.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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